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汽车以太网是一种物理层标准，将标准以太网技术适配到电动汽车（EV）环境的具体需求。本文探讨了AE如何演进车载网络，以满足下一代互联和自动驾驶车辆的高带宽、可靠性和架构需求。

诸如控制器区域网（CAN）和本地互连网络（LIN）等网络多年来一直支持着该行业。然而，电动汽车和自动驾驶系统的数据传输需求超出了这些传统公交车的能力。因此，汽车以太网为未来车载网络（IVN）提供了必要的架构。

传感器融合与数据需求

对更高车辆自动驾驶的需求正在推动汽车以太网的采用。先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶利用了各种传感器。电动汽车通常集成了高分辨率摄像机、激光雷达、远程雷达和超声波传感器。

这些传感器能生成高带宽的数据流，每个传感器通常超过1 Gbps。为了处理这些信息以实现行人检测和物体规避等功能，IVN必须支持超出传统公交所能提供的带宽。汽车以太网处理这些数据负载，促进环境数据以最小延迟传输到中央计算单元。

既然标准以太网已经存在，为什么还需要特定的汽车标准？

IT环境中使用的标准以太网并非为汽车环境设计，包括温度波动、机械振动和电磁干扰。汽车以太网通过标准化的汽车级物理层（PHY）来解决这些因素，这些层是为该环境设计的。

当前标准提供多种数据速率以支持特定区域需求，包括100BASE-T1（100 Mbps）、1000BASE-T1（1 Gbps）和多吉（2.5、5和10 Gbps）。

汽车以太网的一个显著特点是其物理连接能力。标准以太网（100BASE-TX）使用两对双绞线实现100 Mbps，而汽车以太网（100BASE-T1）则通过单对无屏蔽双绞线实现全双工通信，速度相同。

图1。标准以太网（双同步）与汽车以太网（全双工）的比较。（图片来源：Keysight)

如图1所示，这种单对配置在重量和空间上具有优势。线束是车辆重量和成本的重要组成部分。采用汽车以太网使工程师能够减轻电缆重量和直径，从而提升电动汽车的效率和制造效率。

高带宽是否足以保证车辆安全？

汽车应用需要确定性通信以确保消息在规定时间内到达。为了解决标准以太网的尽力而为特性，行业采用了时间敏感网络（TSN）系列标准（IEEE 802.1）。

主要TSN标准包括：

• IEEE 802.1Qbv：设置传输门，规划需要快速发送的帧流量。

• IEEE 802.1Qbu / 802.3br：该功能允许高优先级帧在标准帧之前传输，从而降低关键数据的延迟。

• IEEE 802.1CB（FRER）：跨不同路径复制帧提高了可靠性。

• IEEE 802.1AS-2020：提供电子控制单元（ECU）间的同步时序，这对于传感器数据的相关性至关重要。

汽车以太网还支持标准的TCP/IP协议栈，使得使用上层协议成为可能。

图2。汽车以太网协议架构。（图片来源：传感器，MDPI)

图2展示了协议架构，支持基于服务的ECU通信中的SOME/IP（面向服务中间件）和DoIP（基于互联网协议的诊断通信）。DoIP通过实现ECU的并行重编程速度，提升了维护流程，速度高于传统接口。

这种连接性如何影响车辆的物理结构？

汽车以太网促进了车辆网络架构的转变。传统网络通常采用基于域的架构，ECU根据其功能进行连接。这种方法导致了复杂的跨车载电缆。汽车以太网支持向区域架构的过渡，即按物理位置组织布线。区域网关管理车辆特定区域内的设备，无论其功能如何。

图3。向区域网关架构的转型。（图片来源：应用科学，MDPI)

图3展示了这种拓扑结构。高速以太网骨干网，通常为10 Gbps或更高，将这些区域网关连接到中央高性能计算机。区域网关在以太网骨干网与连接边缘传感器的遗留本地总线（CAN/LIN）之间进行数据转换。这种结构简化了线束，减轻了重量，并支持可扩展的软件定义平台。

总结

软件定义车辆开发得益于汽车以太网，促进了从基于域设计向分区设计的转变，并通过TSN实现了确定性性能。汽车以太网为拥有众多传感器的自主系统建立了必要的网络基础设施。凭借这种可扩展的架构，汽车工程师能够设计出能够满足新兴出行解决方案数据处理和安全需求的电动汽车。

关键词： 汽车以太网